Final dos anos 40. Um casal de serial killers, Martha Beck (Salma Hayek) e Raymond Fernandez (Jared Leto), são conhecidos como "Lonely Hearts Killers". O plano era simples: fraudavam e matavam viúvas de guerra, que responderam anúncios de jornal nos quais Ray se descrevia como um amante latino. Ironicamente ele conheceu Martha desta forma, mas quando se encontraram foi amor à primeira vista, talvez por ambos gostarem de sexo intenso e dinheiro fácil. Ao cometerem assassinatos fazia parte do plano Martha fingir ser irmã de Ray. Enquanto mais mortes aconteciam, os detetives Elmer C. Robinson (John Travolta) e Charles Hildebrandt (James Gandolfini) decidiram fazer qualquer coisa para capturarem Martha e Raymond.